呂 元，呂 復(fù)，呂宜德
（武漢奧杰科技股份有限公司，湖北 武漢 430223 ）
摘 要：介紹了陶瓷廠噴霧干燥塔供熱系統(tǒng)燃燒潔凈煙煤粉或無煙煤粉燃燒技術(shù)，包括煤粉脫硝（ SNCR ）燃燒技術(shù)，空氣分級燃燒技術(shù)，煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)，以及如何正確地選擇相應(yīng)的爐型與低氮，低氧雙旋流煤粉燃燒器及高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器。
關(guān)鍵詞：潔凈煤粉熱風(fēng)爐爐型；空氣分級燃燒技術(shù)；高溫粉塵分離器；濕法除渣系統(tǒng)
在我國陶瓷行業(yè)中， 主要分為建筑與衛(wèi)生陶瓷（包括電瓷、藝術(shù)陶瓷等）兩大類。 其陶瓷生料的制備，多半采用濕法噴漿式陶瓷噴霧干燥塔。
2008 年以前， 我國陶瓷噴霧干燥塔的供熱系統(tǒng)，基本上采用燃煤方式，隨著時間的進(jìn)程，已有相當(dāng)部分的工廠改燒天然氣或發(fā)生爐煤氣供熱。 由于目前的國情，不可能全部改燒天然氣。 因此，我們提出：潔凈煤燃燒技術(shù)，無論是煙煤還是無煙煤都應(yīng)當(dāng)使用低硫低灰型潔凈煤燃燒技術(shù)并加以推廣。
陶瓷行業(yè)中噴霧干燥塔（即陶瓷生料制備系統(tǒng)）在整個陶瓷廠中是耗能最大的工段。 把這一工段的能耗降下來，對陶瓷廠的競爭力是很有幫助的。眾所周知，對于陶瓷廠噴霧干燥塔的供熱系統(tǒng)，燃?xì)猓ㄌ烊粴猓?發(fā)生爐煤氣和柴油供熱系統(tǒng)的熱風(fēng)爐最簡單，但運行成本也是最高的。而對于低硫型潔凈煤粉燃燒，投資最大，但運行成本最低。在陶瓷工業(yè)園區(qū)，建立低硫型潔凈煙煤粉或無煙煤粉制備中心， 直接買進(jìn)這種煤粉，其運行成本約為天然氣的 1/5 。
因此， 燃燒什么樣的煤種必須設(shè)計什么樣的爐型。據(jù)查潔凈的低硫低灰無煙煤燃燒技術(shù)的爐型，在我國陶瓷行業(yè)應(yīng)屬空白。
1 潔凈煤粉燃燒技術(shù)的前提條件
1.1 煙煤或褐煤的工業(yè)分析及技術(shù)要求
發(fā)熱值 ≥22 990～25 080 kJ/kg
揮發(fā)分 ≥25%～35%
水分 <10% （褐煤需脫去外水達(dá)到 12% 以下）
灰分 <6%
固定碳 >50%
灰溶點（ T3 ） >1 250 ℃
S<0.5%～0.3%
煤粉細(xì)度 >150～200 目
重金屬含量 Fe 、 Al 、 Cr 、 Pb 、 Ag 、 Hg 等重金 屬 <
0.3% ，處于微量水平，且煤中無其他雜質(zhì)
1.2 無煙煤的工業(yè)分析及技術(shù)要求
發(fā)熱值 ≥22 990～29 260 kJ/kg
揮發(fā)分 <9%～2.5%
灰分 <8%
固定碳 >50%～80%
灰溶點（ T3 ） >1 300 ℃
S<0.5%～0.3%
煤粉細(xì)度 >150～200 目
重金屬含量 Fe 、 Al 、 Cr 、 Pb 、 Ag 、 Hg 等重金 屬 <
0.3% ，處于微量水平，且煤中無其他雜質(zhì)。
2 潔凈煤粉燃燒技術(shù)爐型
2.1 煙煤燃燒爐型 [1]
本立式燃煤粉熱風(fēng)爐煤粉從底部噴燃。 由底部煤粉燃燒室加立式熱風(fēng)爐混合室以及中上部的腰風(fēng)（即雙層旋風(fēng)噴口）系統(tǒng)組成。 其與立式熱風(fēng)混合室出口的新型高效高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器及出渣系統(tǒng)，組成整體煤粉燃燒工藝生產(chǎn)線（見圖 1 ）。
從圖中可以看出，除了爐門，調(diào)風(fēng)門，觀察孔及溫度與壓力的測試點等工業(yè)爐常規(guī)設(shè)計之外， 亮點是創(chuàng)新型的低氮、低氧雙旋流煤粉燃燒器 [2] 。 本煤粉燃燒器由一次濃態(tài)送煤粉風(fēng)機組成。 二次風(fēng)機按比例配入循環(huán)煙氣（ O 2 含量 6% 以下與少量逃逸掉 NH 3分子煙氣流組成）及部分新鮮空氣所組成。
這兩股風(fēng)在燃燒器內(nèi)經(jīng)激烈相互同向旋流后噴出。 經(jīng)燃燒器出口穩(wěn)焰罩，在燃燒器的出口處形成負(fù)壓區(qū)。 爐內(nèi)未燃燒的碳粒子，反復(fù)循環(huán)地進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，重新得到低溫燃燒。 產(chǎn)生還原反應(yīng)，生成大量的可燃?xì)怏w。 其反應(yīng)式： 
由于含氧量較低， 氧與氮形成不完全反應(yīng)
，產(chǎn)生較低高溫型 NO 含量。因此也是目前國家提倡的低 NO x、低O 2 燃燒技術(shù)。我公司生產(chǎn)的這種煤粉燃燒器早已廣泛應(yīng)用在各行業(yè)的工業(yè)爐上。
2.1.1 多級配風(fēng)技術(shù)
由于煤粉燃燒技術(shù)要求的就是：風(fēng)、煤氣流的配合比例和煤粉燃燒的有效空間。 當(dāng)夾帶著大量的可燃?xì)怏w（CO 、H 2）高溫?zé)煔饬鬟M(jìn)入爐膛混合室時，即與雙層旋風(fēng)口噴出的旋轉(zhuǎn)新鮮空氣的三次風(fēng)。 并要求一定旋轉(zhuǎn)力度的三次風(fēng)與燃燒室的燃煤煙氣均混，并把握一定的混合比例產(chǎn)生氧化放熱反應(yīng)。其反應(yīng)式為：
實踐證明：常溫新鮮空氣三次風(fēng)的供應(yīng)量越多，爐膛溫度越高，反應(yīng)越激烈。這種放熱反應(yīng)是在瞬間完成的！ 其煤粉燃燼率連續(xù)得以提高至 99.5% 以上。由于高溫?zé)煔庠谛D(zhuǎn)的離心力作用下， 煙氣中的粉塵（即煤中的灰分）完全處于一種半溶融的狀態(tài)，并被拋向爐體內(nèi)側(cè)的耐火磚表面上。 從而延長耐火磚的使用壽命。煙氣中半熔融狀態(tài)下的粉塵，在激烈的相互碰撞下以及旋風(fēng)離心力沖刷作用下，滾“雪球”狀紛紛從爐體內(nèi)壁滾落下來， 進(jìn)入出渣口， 排出爐外。在立式混合室內(nèi)形成煤燃燒第二動力場。這里強調(diào)的是三次風(fēng)的風(fēng)量與氣流速度是非常重要的，否則就會造成爐體內(nèi)“結(jié)焦”的安全事故。
2.1.2 應(yīng)用選擇性非催化劑還原脫硝技術(shù)( SNCR) [3]
如圖 2 煙煤燃燒三次旋轉(zhuǎn)風(fēng)示意圖所示， 這里強調(diào)的是：在爐內(nèi)噴氨脫硝技術(shù)，必須注意如下三個方面。
（ 1 ）還原反應(yīng)的窗口溫度
必須尋找正確的噴氨溫度反應(yīng)窗口。 其還原反應(yīng)式如下：
實踐證明：在此混合室中下部的溫度區(qū)間，正好是在脫硝反應(yīng)溫度范圍內(nèi)。
（ 2 ）還原反應(yīng)的煙氣混合度
從圖 2 可以看出： 為了氨水或尿素中的氨分子與煙氣中NO、NO2達(dá)到充分混合， 二層旋風(fēng)噴氣口的下層噴入氨水或尿素。在雙層旋轉(zhuǎn)煙氣流的作用下，按比例噴入充分霧化氨水或尿素。并在壓縮空氣強力霧化與煙氣流同向旋轉(zhuǎn)中，得到充分混合。使NH3與NOx分子得到充分還原反應(yīng)，從而達(dá)到最佳的脫硝效果。
（ 3 ）脫硝反應(yīng)的停留時間
實踐證明：只有煙氣與霧化氨水同向旋轉(zhuǎn)，煙氣流才能達(dá)到最佳停留時間。 比直線噴入氨水或尿素效果強多了。 因此我們充分應(yīng)用了脫硝反應(yīng)的必備條件， 加之又充分應(yīng)用了低溫還原與高溫氧化的低NO x燃燒技術(shù)，使得煤在燃燒過程中得到了最大脫硝反應(yīng)率！從而滿足了國家環(huán)保指標(biāo)，響應(yīng)國家煤燃燒的綠色低碳行動。
2.2 無煙煤燃燒爐型
無煙煤粉揮發(fā)分 <2%～9% ， 環(huán)境著火溫度 ≥700 ℃ 。 其燃燒特征：難于著火，很難做到燃燒完全，同時還有“后燃”現(xiàn)象。 由于煤粉在爐內(nèi)停留燃燒時間不夠， 而造成火焰尾部煙氣含有大量未能燃燼的碳黑粒子。 這種碳黑煙氣是絕對不能進(jìn)入陶瓷生料的制備系統(tǒng)（即噴霧干燥塔）。根據(jù)無煙煤燃燒特性，我們設(shè)計了這種爐頂頂噴無煙煤粉燃燒技術(shù)爐型（見圖 3 ）。
2.2.1 低 NO x、低O 2 雙旋流無煙煤粉燃燒器 [4]
其基本工作原理：仍是由一次風(fēng)與二次風(fēng)組成，其中一次風(fēng)由專用風(fēng)機進(jìn)行濃淡煤粉輸送。 二次風(fēng)由二次風(fēng)機的強烈旋轉(zhuǎn)循環(huán)煙氣（含氧 6% ）與部分新鮮空氣均混輸送。 在燃燒器頭部的穩(wěn)煙罩內(nèi)產(chǎn)生同向激烈旋轉(zhuǎn)反應(yīng)場，并形成低溫還原反應(yīng)。采用內(nèi)混（風(fēng)、煤）與外混（風(fēng)、煤）相結(jié)合方式，在燃燒器出口形成較大的負(fù)壓區(qū)。因此，黑火頭相對于煙煤燃燒要稍長些。
由于低溫還原反應(yīng)從燃燒器出來會產(chǎn)生大量的CO、H 2等可燃?xì)怏w，出口形成低溫火焰，并生成較大負(fù)壓區(qū)。使未燃燼的碳粒子重新吸入負(fù)壓區(qū)，如此不斷循環(huán)下來，以達(dá)煤粉初步燃盡的目的。 同時，由于這種低溫、低氧的燃燒效果，極大地減少高溫型NO的產(chǎn)生，從而達(dá)到一定的脫硝效果。
2.2.2 多級配風(fēng)技術(shù)
當(dāng)這種煙氣進(jìn)入煤粉燃燒室中部時，我們設(shè)置了雙層旋轉(zhuǎn)風(fēng)的三次風(fēng)結(jié)構(gòu)。由專用的三次風(fēng)機按比例以新鮮空氣噴入。并與再循環(huán)低氧煙氣產(chǎn)生激烈的同向旋轉(zhuǎn)氣流，即可產(chǎn)生煙氣氧化放熱反應(yīng)，滿足后續(xù)的燃燒要求。 但其前提是必須將無煙煤磨得很細(xì)，我們采用的是從德國引進(jìn)的立磨或風(fēng)扇式煤磨。其煤粉細(xì)度達(dá)到 150～200 目（即煤粉細(xì)度 0.08 mm 占比達(dá)90% 以上），基本滿足無煙煤的燃燒要求。
由于無煙煤第一級采用了稍弱雙旋風(fēng)噴口的三次風(fēng)， 其無煙煤燃燒的煙氣流在軸向與水平旋轉(zhuǎn)同向交叉的運動軌跡， 使煤粉煙氣流極大地延長了燃燒時間。從而初步滿足了無煙煤燃燒特征。此時第一級爐膛的煤粉燃燒溫度已達(dá)到1250 ℃ ，煤燃燒煙氣中的灰分已達(dá)到半熔融狀態(tài)， 煤粉燃燼率已達(dá)到90% 以上。
如圖 4 無煙煤燃燒三次風(fēng)旋轉(zhuǎn)氣流分配示意圖所示，當(dāng)這種煤粉燃燒煙氣，由立式燃燒室，經(jīng)燃燒過渡段，在后續(xù)引風(fēng)機的作用下，進(jìn)入第二級立式煙氣混合室。我們又設(shè)置了二層煙氣旋轉(zhuǎn)噴入口，由專用四次風(fēng)機單獨供入新鮮空氣。 并在第一級旋風(fēng)層內(nèi)設(shè)置了 SNCR（即選擇性非催化劑還原脫硝技術(shù)）。此時的溫度窗口，煙氣與NH3混合時間與混合充分度基本滿足了脫硝要求。與前述一樣，在此的脫硝率與氧化還原的燃燒以及煙氣再循環(huán)燃燒的脫硝技術(shù)，使?fàn)t內(nèi)總的脫銷率可以達(dá)到 85% 以上。
如圖 5 無煙煤燃燒四次風(fēng)旋轉(zhuǎn)氣流分配示意圖所示， 通過在爐內(nèi)脫硝完成后的煙氣溫度仍有 950℃ 。 高溫?zé)煔膺M(jìn)入下一級的高效高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器。
3 高效高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器
該設(shè)備對于無煙煤與煙煤以及其它煤種燃燒所產(chǎn)生的煙氣粉塵分離均能適用。 其作用有兩個：
（ 1 ）煤粉燃燒煙氣在高溫（ 850～950 ℃ ）的環(huán)境下，分離煙氣中的細(xì)小粉塵，讓其從熱風(fēng)爐出口的高溫?zé)煔庾兂上鄬儍舻母邷責(zé)煔饬鬟M(jìn)入陶瓷噴霧干燥塔內(nèi)。在旋風(fēng)離心力的作用下，分離出的粉塵進(jìn)入水封式除渣箱（排出爐外）。因此，高溫?zé)煔庑L(fēng)分離器不能按照普通的旋風(fēng)除塵器的工作原理去設(shè)計或者照搬。
（ 2 ）高溫旋風(fēng)分離器機體內(nèi)仍處在高溫環(huán)境下（ 850～950 ℃ ），此時的煙氣粉塵處在半熔融狀態(tài)。 從爐內(nèi)逃逸出來未燃盡的碳粒子可以在機體內(nèi)得到進(jìn)一步燃盡，形成第三個離心旋風(fēng)溫度動力場。在煙氣中的粉塵相互激烈碰撞的結(jié)果下，像滾“雪球”一樣，逐步形成較大的顆粒?？身樦鴻C體內(nèi)壁滾落下來，進(jìn)入水封式除塵箱。由于使用的潔凈煤粉，其灰分均在10% 以下，其排渣量極少。 正常生產(chǎn) 10 天內(nèi)可除渣一次，根本不構(gòu)成人工強度。同時由于是無爐渣閥門的自動排渣，使車間保持了非常干凈的生產(chǎn)環(huán)境（見圖 6、圖7 ）。
因此， 高效高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器的設(shè)計要求有如下兩點：
（ 1 ）從立式混合室流入的高溫?zé)煔猓詼u流的方式切向進(jìn)入高溫?zé)煔庑L(fēng)分離器。 其分離器外圓的幾何中心是以四點圓心的半徑相切而得到的弧線所組成的[5] 。 這樣可使煙氣流動阻力進(jìn)一步減少，煙氣旋轉(zhuǎn)力度進(jìn)一步加強。 排氣中心筒的插入深度不能過深或過淺。 如果過深，由于長期運行中，其排氣中心筒耐火材料會脫落，從而造成安全事故。 因此，一般插入深度控制在煙氣入口高度的 80% 左右， 這樣粉塵分離效果最好。據(jù)工業(yè)試驗得出：渦旋煙氣流的中心與旋風(fēng)筒的幾何中心正好重合[6] 。大量的高溫?zé)煔夥蹓m在旋風(fēng)離心力的作用下， 幾乎 95% 以上的半熔融細(xì)微粉塵被拋向旋風(fēng)筒的內(nèi)壁。 像滾“雪球”式滾落于爐外水封式水箱，可不停爐人工定期清渣。
（ 2 ）實際上從熱風(fēng)爐過來的煙氣量都較大。 我們采用的雙筒式布置，從圖 7 可看出，整個筒體分為旋風(fēng)除塵段，除塵段和下渣段。 除塵段是垂直下去，特別方便除渣。 而不至于在半熔融狀態(tài)下的粉塵粘壁下不來，從而造成高溫分離器下渣困難，導(dǎo)致分離效率下降。由于分離器的機體內(nèi)處于高溫環(huán)境下，整體設(shè)計時， 還要考慮鋼板的內(nèi)側(cè)與中心排氣筒耐火保溫材料，漏風(fēng)系統(tǒng)等必備的設(shè)計要求。
4 出渣系統(tǒng)
由于采用了小于 10% 灰分的潔凈煤粉， 煤粉熱風(fēng)爐出渣量極少。如設(shè)計了干排渣系統(tǒng)，每次排渣會造成車間的環(huán)境污染。 本設(shè)計采用了水封式的除渣水箱， 既減少了排渣閥門又減少了爐內(nèi)的漏風(fēng)現(xiàn)象產(chǎn)生。由于排渣無閥門，基本上可以達(dá)到全自動排渣的效果。 實驗證明，一般 10 d 左右，可不停爐人工清渣一次，使車間始終保持一種非常干凈的生產(chǎn)環(huán)境。
5 結(jié)語
（ 1 ）陶瓷噴霧干燥塔配套的熱風(fēng)爐供熱系統(tǒng)中。在我國，除了一部分已改為天然氣供熱熱風(fēng)爐，仍然有相當(dāng)部分的熱風(fēng)爐是燃煤熱風(fēng)爐。 而這部分燃煤熱風(fēng)爐生產(chǎn)方式十分落后。 其主要表現(xiàn)在 : 人工勞動強度極大、浪費嚴(yán)重、能耗極高、環(huán)境污染重。 其中，最主要的是用煤與爐型的問題， 我們主張首先采用低硫低灰型潔凈煤粉熱風(fēng)爐工業(yè)生產(chǎn)線。 可降低煤耗 30% 以上，煤粉燃盡率可達(dá) 99% 以上，全自動化無人值守型現(xiàn)代化生產(chǎn)線。同時還可以做到“一拖二”，即一臺熱風(fēng)爐帶動兩臺陶瓷廠噴霧干燥塔供熱，這將極大地節(jié)省投資費用。在國內(nèi)外，也首創(chuàng)了供熱系統(tǒng)的先例。
（ 2 ）對于陶瓷工業(yè)園，有條件的可建立潔凈煤粉集中粉磨供應(yīng)站。采用煤粉泵車的形式，可分別送至各陶瓷廠。以減少陶瓷廠區(qū)內(nèi)建立的燃煤堆場，可減少陶瓷廠區(qū)的環(huán)境污染。
（ 3 ）在煤的燃燒供熱系統(tǒng)解決后，陶瓷廠噴霧干燥塔塔后應(yīng)采用超潔凈排放的半干法脫硫型防水式布袋除塵器[7] ，以及文氏管雙級半干法水霧脫硫塔[8]。環(huán)保指標(biāo)應(yīng)該可以達(dá)到：粉塵排放≤10 mmg/m 3、SO x排放≤100 mmg/m 3、NO x排放≤200 mmg/m3，已達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)的環(huán)保指標(biāo)。使我國的陶瓷傳統(tǒng)工業(yè)，在響應(yīng)國家“三去，一補”的節(jié)能降耗工業(yè)進(jìn)程之中，達(dá)到或接近天然氣的先進(jìn)環(huán)保排放水平。
（ 4 ）本供熱系統(tǒng)的配置，如：低NO x低 O 2雙旋流煤粉燃燒器，立式煤粉熱風(fēng)爐，高效高溫?zé)煔夥蹓m旋風(fēng)分離器及出渣系統(tǒng)等。 也可以用于潔凈煤粉工業(yè)鍋爐行業(yè)， 以及需要工業(yè)物料干燥供熱系統(tǒng)以及其它行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。